Высокотемпературная конверсия метана

     На  нефтеперерабатывающих заводах  для получения водорода применяют  процесс высокотемпературной ( 800 - 850 С) паровой каталитической конверсии  нефтезаводского газа, содержащего  значительные количества высших углеводородов. В зависимости от производительности и режима работы этих установок состав сырья, поступающего на конверсию, может значительно колебаться по содержанию в нем гомологов метана. Это вызывает затруднения при проведении процесса высокотемпературной конверсии: опасность отложения углерода на катализаторе, необходимость применения большого избытка водяного пара. 

     На  лабораторной установке с загрузкой  катализатора до 100 см3 исследован процесс  частичной конверсии гексана  на катализаторе никель на у-окиси алюминия. Показано, что при давлении 20 ати, температуре 450 - 500 С, объемной скорости по гексану до 2 ч - 1 и соотношении вода: гексан1 5 - 2 0 конвертированный газ содержит 15 - 20 % водорода, до 20 % СОг, не более 1 0 % СО и больше 60 об. % метана. Гомологи метана в конвертированном газе отсутствуют. Использование газа такого состава для процесса высокотемпературной конверсии дает следующие преимущества по сравнению с конверсией жидких углеводородов: сокращается расход пара, увеличивается возможная температура подогрева паро-газовой смеси перед конверсией, уменьшается опасность коксо-образования, увеличивается производительность единицы реакционного объема печи конверсии. 

     Низкотемпературное  окисление углеводородо в попутных нефтяных газов. Остаточные газы процесса используются для синтеза аммиака. Попутный нефтяной газ ( 60 % СН4, 18 % С2Н6, 10 % С3На и 12 % N2) окисляют кислородом в реакторе при 50 кгс / см2 и 340 - 360 С. Таким способом получают метанол, ацетальдегид и формальдегид, а также небольшие количества этилового спирта, ацетона и др. Эти продукты извлекают из газовой смеси, а остаток ее направляют на смешение со свежим газом и кислородом для последующего окисления в процессе высокотемпературной конверсии под давлением 30 кгс / см2; получаемый газ используют для синтеза аммиака. 

 

Исходные  данные

Конверсия метана: 

Состав природного газа: (об.%) CH₄ – 94; N₂-2; C₂H₆ - 4.

 Природный  газ и водяной пар подают  в мольном соотношении 1:2, 1:3, 1:4.

 Остаточная концентрация СН₄ не превышает - 0,3 об.%.

Расход смеси 2000 м³/ч

Кинетическое  уравнение окисления:

;   

 Е = 90900 кДж/кмоль; 

k₀  = 2,03∙10⁶.

Константа равновесия: ;

 

Задание

1. Сравнить адиабатический реактор идеального вытеснения и изотермический реактор полного смешения в зависимости степени превращения при двух давлениях, если объемный расход газовой смеси 100 м³/с.

 

2. Построить  графики зависимостей:

- скорости реакции от степени превращения, 

- объёма реактора  от  степени превращения, 

- объёма реактора  от производительности .

 

Программный код.

Материальный  и тепловой баланс.

 

 

 

 
 

 

Равновесие

 

 
Кинетика

 

 
Расчет реакторов

 

 
                                                  ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Из  проделанных расчетов и построенных  графических зависимостей видно, что  изотермический реактор полного  смешения (РПС) выгоднее адиабатического  реактора идеального вытеснения (РИВ) по всем характеристикам:

1. Так как рассматриваемая реакция является эндотермической, то высокие температуры производства были бы выгодными технологически, но экономически наоборот, так как поддержание высоких температур более энергозатратно и опасно, поэтому выбираем среднюю, оптимальную температуру-1400°С ;
2. При любом соотношении изменения давления в РИВ зависимость скорости реакции от степени превращения падает  более резко ,чем в РПС, чем выгодно воспользоваться для достижения максимальной степени превращения ;
3. При тех же степенях превращения объем РПС намного меньше, чем у РИВ, что является положительной характеристикой, т.к. реактор меньшего объема экономически проще эксплуатировать и обеспечивать ремонт;
4. При одинаковых объемах производительности объемы РПС и РИВ различаются в сотни раз, следовательно, меньший реактор производит столько же продукции, сколько и больший, но делает это гораздо дешевле, быстрее и безопаснее.